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非线性光学引言线性光学与非线性光学1.特点线性光学，即光束在空间或介质中的传播是互相独立的，光束在传播过程中，由于衍射、折射和干涉等效应，光束的传播方向会发生改变，空间分布也会有所变化，但光的频率不会在传播过程中改变；介质的主要光学参数，如折射率、吸收系数等，都与入射光的强度无关，只是入射光的频率和偏振方向的函数。当一束激光射入到介质以后，会从介质中出射另一束或几束很强的有新频率的光束。它们可以处在与入射光频率相隔很远的长波边或短波边，或是在入射光频率近旁的新的相干辐射；两个光束在传播中经过交叉区域后，其强度会互相传递，介质的吸收系数已不再是恒值，它会随光束强度的增加变大或者变小。一个光束的光波相位信息在传播过程中，也会转移到其他光束上去，一个光束的相位可以与另一个光束的相位呈复共轭关系；某一定强度的入射光束在通过介质后，透射光束的强度可以具有两个或多个不同的值。2.光与物质相互作用关系当一个光电场入射到介质体系中时，由于介质体系是由大量的多种荷电粒子，如电子、原子实及离子等构成，它们在外光电场的作用下会发生位移，这就会在介质中产生感应的电极化强度。),(),()1(0trEtrP配合电磁波在介质中传播的波动方程2200220002),(),(),(),(ttrPttrEttrEtrE人们可以解释介质中存在的吸收、折射和色散等效应。其中μ0是真空导磁率，σ为介质的电导率。一般来讲，χ(1)的实部对应介质体系的折射和色散，而χ(1)的虚部说明介质的吸收.•而高强度的激光作用到介质体系时，人们发现在大量的各种不同的材料中都会观察到与线性光学效应截然不同的现象，介质的折射率会随光电场强度的变化而变化，吸收系数也不再是一个常数等等。所有这些新现象就需要非线性光学的基本原理予以解释.•在传统的热辐射光源、放电光源的照射下，可得到的单色功率密度一般在１Ｗ／ｃｍ2以下，激光是具有高单色高亮度的光源，当激光射到（或聚焦于）介质中时，其所产生的单色功率密度会远远高于传统光源的相应值。在实验室条件下，聚焦至介质处的单色功率密度已很容易达到1010Ｗ／cm2以上.，•光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系式中必须计及光电场强度的高幂次项，即EEEEEEtrP)3(0)2(0)1(0:),(•χ(2)、χ(3)分别为二阶及三阶非线性极化率张量，它们以及高阶非线性极化率张量χ(n)是表征光与物质非线性相互作用的基本参数。•非线性光学效应的定义如下：凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。１.非线性光学的早期１０年（１９６１—１９７０）非线性光学的一个重要发展时期是早期的１０年。1961年，Franken将红宝石激光束入射到石英片上，确证了新的ＳＨＧ效应。ＳＨＧ效应的发现极大地促进了无机晶体材料在相干辐射产生中的应用，具有重要的意义。１９６２年Woodbury在使用硝基苯材料研究调Ｑ红宝石激光器时发现，从激光器出射的谱线中，除了红宝石的激光线外，还有另一条处于红区的７６６ｎｍ谱线。而且这条出射光束具有与红宝石激光束同样的传播方向和小的发散角。随之人们即分析出，这是与硝基苯的分子振动密切有关的一种新的相干辐射，即受激拉曼散射ＳＲＳ。•相干辐射产生的另一个效应即是受激布里渊散射（ＳＢＳ），当激光束射入晶体材料后，利用高分辨率光学干涉仪器观察到在入射激光线的近旁存在着几条亮度很高的辐射线，频差在１ｃｍ-1以下，这是与晶体等材料中声学波相联系的。•与ＳＨＧ效应有联系的一些效应如和频（ＳＦＧ）、差频及光学参量振荡（ＯＰＯ）也陆续地被发现。利用晶体材料的双折射效应以补偿折射率的色散，人们在许多晶体中，如ＫＤＰ，ＡＤＰ，ＬｉＮｂＯ3及ＬｉＩＯ3，实现了有效的相位匹配并得到有很高转换效率的相干辐射。利用和频，可以对相干辐射频率进行蓝移，而利用差频及光学参量振荡可以将可见激光转换至红外波段。这就为人们扩展相干辐射的波段范围又提供了几种新的方法。•钕玻璃棒中的非线性光学效应——自聚焦使光束在材料中被聚集，使在焦点处达到高于损伤阈值的功率密度。与自聚焦密切相关的自相位调制效应也得到了广泛的研究。•饱和吸收是与吸收有关的一种非线性光学效应。当增加入射激光束的强度时，介质的吸收系数会随之减小，人们称此为饱和吸收效应。也观察到了反饱和吸收现象。•双光子吸收则是与饱和吸收在形式上迥异的另一种效应。它会使介质的吸收系数随光强度的增加而增大，其基本原理是，介质中的分子或原子可以经过两个光子的同时吸收而跃迁至较高的一个激发态。2.研究全面深入的２０年•自1971年至1990年，非线性光学经历了深入发展的２０年。一些新的重要的非线性光学效应相继被发现，新型的非线性光学晶体材料的试制成功，微微秒激光器件的广泛使用以及飞秒激光器的研制进展，使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进。•在1970年代至1980年代，四波混频（ＦＷＭ）作为一种重要的产生相位复共轭光束的方法，在畸变相位的恢复，相位共轭腔的设计方面得到了广泛的应用。ＤＦＷＭ所具有的复共轭特性，ＮＤＦＷＭ的窄带反射特性，共振ＤＦＷＭ的高反射等时产生的相位畸变和研制光束自导迹系统。ＳＲＳ和ＳＢＳ这两种最重要的散射过程的研究在这２０年中极富成效。由于激光器的制作技术的提高，激光器的输出脉冲能量已很容易达到几百ｍＪ以上，其脉冲宽度覆盖了从ｎｓ至ｆｓ的宽阔的范围，使得ＳＲＳ效应在大量的气体、液体及固体材料中得到了详细的研究，并用于相干辐射的波长扩展。８０年代初，从Ｈ2已经得到转换效率在４５%的斯托克斯输出。利用高压Ｈ2制成的拉曼转换器曾成为激光厂商的正式产品在市场上出现。此外，利用ＳＲＳ过程可对输入的激光脉冲进行整形（Clean-up）、光束组合及光束复制，从有严重畸变的泵浦光束可以得到近于衍射极限的。这对高能量、高功率激光器的研制和应用具有重要意义。•1975年贝尔实验室的McCall，Gibbs和Venkatesan从置于法布里—珀罗干涉腔中的钠蒸汽中首次测得了光学双稳态特性。在气体、液体及半导体等许多材料中都观察到了光学双稳态（ＯＢＩＳ）现象。•光纤通信是在1970年代初开始研究并得到广泛注意。由于低损耗石英光纤的制成以及近红外波段激光器性能的提高，光纤通信的研究取得了突飞猛进的发展，使它成为通信领域最重要和最有发展潜力的手段。光学孤子(Soliton）是在传播过程中保持形状不变的一种光波，自然是光纤通信中最理想的载波光束，它可以经光束中的群速色散（ＧＶＤ）和ＳＰＭ两种过程的结合而在光纤中得到产生与传播。•1980年代中期，在量子光学领域有一个重大的引人注目的进展，即是光学压缩态的获得。人们从光纤通信的重要地位意识到，使用低噪音的光波可望极大地利用光的通信能力，这是因为光学压缩态能将光波电场的两个正交分量中的一个分量的噪音转移到另一个分量之中，以使这个分量的噪音降低至真空态的量子噪音以下。而由于这种光场的极低噪音使得它在高精度干涉度量学、光学通信及光谱学研究中有重要的应用前景。•1970年代以来，由于半导体微结构设想的提出与制作技术的重大突破，各种人工微结构，如半导体量子阱，超晶格都得到了实现。在这种微结构中，存在着人工制得的势阱及由此产生的阱中分立能级，使得它们的光学特性及非线性光学特性具有与体材料明显不同的特点。•鉴于极短波长激光器，包括真空紫外（ＶＵＶ），极端真空紫外（ＸＵＶ）及软Ｘ射线区的激光器在超大规模集成电路光刻，用于观察原子和分子等微观世界的全息技术以及高激发态光谱研究方面的重要意义，人们对其一直在努力开拓。•利用非线性光学效应产生ＶＵＶ，ＸＵＶ波段的相干辐射是一种现实的方法，因为直接制造这些波段的激光器在技术上存在许多困难。采用非共振ＦＷＭ或多波混频可以在惰性气体，甚至金属蒸汽中得到ＶＵＶ及ＸＵＶ波段的相干辐射。尽管采用相位匹配，效率仍然很低，一般仅为１０-7左右。采用双光子共振的ＦＷＭ过程以及采用多光子共振的多波混频则可以提高转换的效率。人们从四波混频ＶＵＶ及ＸＵＶ相干辐射。而从更高次的谐波过程，还可得到波长短至３８ｎｍ的相干辐射。•在软Ｘ射线区，当波长短至１０ｎｍ以下时，由于介质在这些区域的显著吸收，相干辐射的产生就需要借助于如高温等离子体、核爆炸、强激光轰击金属靶等方法。•非线性光学材料的研究在这２０年中有了重大的进展。•1960年代时，大量使用的非线性光学晶体是ＫＤＰ，ＡＤＰ，ＬｉＮｂＯ3和ＬｉＩＯ3等，它们在ＳＨＧ，ＳＦＧ及ＯＰＯ器件上得到了广泛的应用，但是它们在损伤阈值、短波吸收及大气中的稳定性方面都有相当的局限性。•1970年代以来，人们先是在有机非线性晶体材料的研究方面得到了一些进展，例如制得了尿素晶体，但它在损伤阈值等方面与无机晶体材料还有一定差距。ＫＴＰ的发现（ＫＴｉＰＯ4），为无机非线性晶体材料家族增添了一种有大的非线性光学系数、高损伤阈值的材料。•在这２０年中，大量的非线性光学专著得到出版，如在四波混频，光学相位共轭，相干辐射的扩展，光学双稳态，多光子过程，光纤和有机材料中的非线性光学效应等领域都有相应的书籍。至于国际学术会议的论文集及一些著名学术刊物所编辑的专集则为数极多。•这段时期中，关于非线性光学的基本原理和研究工作比较全面总结的则首推Ｙ．Ｒ．“ThePrinciplesofNonlineraOptics”。3.２０世纪９０年代的进展1990年代中，非线性光学研究又在几个方面取得了重大的进展。最引人注目的进展之一是利用新型的非线性光学晶体，如βＢａＢ2Ｏ4（ＢＢＯ），ＬｉＢ3Ｏ5（ＬＢＯ）及ＫＴｉＰＯ4（ＫＴＰ）等，制作在宽广波长范围可调谐的连续或皮秒（ｐｓ），飞秒（ｆｓ）脉冲光学参量振荡器，及光学参量放大器（ＯＰＡ）。在这以前，人们一般采用染料激光器或者钛宝石激光器以得到调谐的相干辐射，然而由于染料及钛宝石激光器覆盖波长的局限性，使得它们在波长调谐的实际应用方面受到限制。而基于1980年代ｐｓ及ｆｓ全固态激光器的研制成功及高质量非线性光学晶体的发现，ＯＰＯ及ＯＰ用重新被人们所重视.•所有这些红外或可见波段，连续波或超短脉冲，DRO或SRO的OPO及OPA技术的巨大进展已经有效地促进了激光光谱及非线性光学的研究，为更高精度和ｆｓ量级的非线性光学研究提供了有效的红外相干辐射光源。•第二个极为引人注目的进展是ｆｓ区非线性光学的研究。在1990年代，ｆｓ激光器已经实现商品化，并在实验室得到广泛应用。再利用非线性光学过程可进一步压缩及放大超短脉冲或转换超短脉冲的波长，这对于利用非线性光学效应研究各种材料中的超快过程起了重要的推动作用。•掺有稀土元素Ｅｒ光纤的制备，使得在光通信最感兴趣的波段得到了高增益介质。Ｅｒ光纤具有很大的增益带宽，可用于产生和放大超短脉冲.•由于半导体激光器在光通信、光盘存贮等领域的重要应用前景，有关半导体激光器的研究近年来得到了很大的进展。•除了ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多量子阱激光器以外，利用应变型量子阱ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ等材料都得到了激光输出。ⅡⅥ族宽禁带材料及ＧａＮ等掺Ｎ材料所制作的发光及激光器件也有重要的突破，而在这些半导体激光器的研制之中，伴随着许多非线性光学的研究课题。•光纤通信的神速发展并如此深刻地影响人类社会是科学技术的一个重大成就。为充分挖掘和利用光纤通信的波段范围，人们已在开拓高密度波分复用技术（ＤＷＤＭ），即采用尽可能多的光学频道，预计频道数可接近一千个，而每个频道运载有足够多的信息。这样要在一根光纤中同时传输许多在波长上紧密相依（间隔约为０．４ｎｍ）而载有信息的光波，必然需要许多复杂的光子学与光电子学技术和系统与之配合。如多波长激光器，高速调制器，光学分叉复用器（ＯＡＤＭ），光学开关，光电接收器等。•在光纤通信的发展计划中，光孤子通信受到人们的密切注视。光孤子由于其极好的波形保持特性，对无误码率信息传输的应用前景十分诱人。由此，科学家